Le bruit limite les performances des technologies quantiques modernes. Cependant, les particules voyageant dans une superposition de chemins peuvent contourner le bruit dans la communication. Une collaboration entre les Universités de Hong-Kong, Grenoble et Vienne, ainsi que l'Académie autrichienne des sciences, sous la direction de Philip Walther, révèle de nouvelles techniques pour réduire le bruit dans la communication quantique. Les résultats, publié dans le dernier numéro de Examen physique de la recherche , démontrer que les particules quantiques se déplaçant dans une superposition de chemins permettent de réduire le bruit dans les communications.

Parmi les domaines de recherche les plus actifs de la physique moderne, tant au niveau académique qu'au-delà, sont le calcul quantique et la communication, qui appliquent des phénomènes quantiques tels que la superposition et l'intrication pour effectuer des calculs, ou pour échanger des informations. Un certain nombre de groupes de recherche dans le monde ont construit des appareils quantiques capables d'effectuer des calculs plus rapidement que n'importe quel ordinateur classique. Encore, il reste encore un long chemin à parcourir avant que ces appareils puissent être convertis en ordinateurs quantiques commercialisables. L'une des raisons à cela est que le calcul quantique et la communication quantique sont fortement détériorés par la facilité avec laquelle un état de superposition quantique peut être détruit, ou l'intrication entre deux ou plusieurs particules quantiques peut être perdue.

La principale approche pour surmonter ces limitations est l'application de codes dits de correction d'erreurs quantiques. Cette, cependant, nécessite une quantité de ressources supérieure à ce qui peut être atteint actuellement de manière contrôlée. Tandis que, à long terme, la correction d'erreurs est susceptible de devenir partie intégrante des futurs dispositifs quantiques, une approche complémentaire consiste à atténuer le bruit, c'est-à-dire l'effet cumulatif des erreurs non corrigées, sans compter sur autant de ressources supplémentaires. Ceux-ci sont appelés schémas de réduction du bruit.

Atténuation du bruit sans ressources supplémentaires grâce à des schémas quantiques simples

Une nouvelle approche le long de cette ligne de recherche a été récemment proposée pour réduire le bruit dans un schéma de communication entre deux parties. Imaginez deux parties qui veulent communiquer en échangeant une particule quantique, pourtant, la particule doit être envoyée sur des lignes de transmission défectueuses (représentées dans l'illustration artistique).

Récemment, une équipe de chercheurs de l'Université de Hong-Kong a proposé qu'une réduction globale du bruit puisse être obtenue en dirigeant la particule le long d'une superposition quantique de chemins à travers des régions de bruit dans un ordre opposé. En particulier, alors que classiquement une particule ne peut voyager que le long d'un seul chemin, en mécanique quantique, il peut suivre plusieurs chemins à la fois. Si l'on utilise cette propriété pour envoyer la particule le long de deux chemins quantiques, on peut, par exemple, conduire la particule à travers les régions bruyantes dans un ordre opposé simultanément. Cet effet a été démontré expérimentalement par deux recherches indépendantes.

Ces résultats suggèrent que, pour obtenir cette réduction de bruit, il faut placer les lignes de transmission bruitées dans une superposition quantique d'ordres opposés. Peu de temps après, des groupes de recherche à Vienne et à Grenoble ont réalisé que cet effet peut également être obtenu via des configurations plus simples, ce qui peut même éliminer complètement le bruit entre les deux parties.

Tous ces schémas ont maintenant été mis en œuvre expérimentalement et comparés les uns aux autres par une équipe de recherche dirigée par Philip Walther à l'Université de Vienne. Dans ce travail, différentes manières de traverser deux régions bruyantes en superposition quantique sont comparées pour une variété de types de bruit. Les résultats expérimentaux sont également étayés par des simulations numériques pour étendre l'étude à des types de bruit plus génériques. Étonnamment, on constate que les schémas les plus simples de superposition quantique de canaux bruités offrent également la meilleure réduction du bruit affectant la communication.

« La correction des erreurs dans les technologies quantiques modernes fait partie des besoins les plus urgents des systèmes de calcul et de communication quantiques actuels. Notre travail montre que, au moins dans le cas de la communication quantique, déjà avec les technologies actuellement utilisées, il peut être possible d'atténuer ce problème sans avoir besoin de ressources supplémentaires, " dit Giulia Rubino, premier auteur de la publication en Examen physique de la recherche . La facilité de la technique démontrée permet une utilisation immédiate dans les communications longue distance actuelles, et promet d'autres applications potentielles dans le calcul quantique et la thermodynamique quantique.